基于Pro/E的清潔機器人爬壁機構設計

呂雪　牛海霞

摘 要：在國內外已有研究基礎上，本文基于Pro/E軟件設計清洗玻璃幕墻等壁面的爬壁機器人，對其爬壁構造進行分析研究。本文所設計的機器人為四輪小車型爬壁機器人，應用傳統機械傳動機構的開閉合來實現吸排氣的控制。其驅動方式為后輪驅動，吸附方式采用地面連接真空泵，通過真空吸盤吸附，使吸附力更穩定且易于控制。最終所設計的機器人在水平面與垂直面乃至任意角度的玻璃壁面均能自由行走。

關鍵詞：真空吸附；清潔機器人；Pro/E

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.15.147

0 引言

近年來，我國的城市面容發生了巨大的改變。相比于以前，高樓大廈多了很多，大部分的高樓為了美觀和成本，墻壁都是玻璃幕墻，提高了外觀，但也面臨著各種問題。其中高空玻璃幕墻的清潔是一個非常典型的難題，目前清潔玻璃幕墻的方式大多是人工進行，采用懸吊裝置上下升降，保潔人員親自在高空進行作業，這種勞動效率低下，安全性沒有保障，不符合當前社會發展觀[1]。

于是爬壁清潔機器人應運而生，在某些危險、繁重、枯燥的崗位使用機器人代替人工勞動的行為，已逐漸發展成當代社會的一種趨勢。爬壁機器人的設計，必須具備兩種功能：在任意角度的無磁甚至凹凸不平的壁面上的吸附功能和移動功能。以此為要求，這些年來研究人員研發了多種爬壁機器人的方案，但大多有瑕疵和不穩定性，不能成功的投入工作。例如磁力吸盤爬壁機器人，只能局限于吸附在金屬的壁面上，而目前需要工作的大多是玻璃面，局限性太高；又例如大型懸掛式清潔機器人，占地面積過大、清洗復雜成本高，工作時需要特定的軌道[2]。

1 爬壁機器人的方案設計

本文設計的機器人為真空吸盤式爬壁清潔機器人，因為要在垂直的壁面上行走，所以四輪小車相對于其它小車更具有穩定性。該四輪小車（約為500mm×100mm×400mm），每個車輪都分兩排，每排12個，共裝有24個真空吸盤，通過地面上的真空泵提供壓力進行吸附工作。故本機器人不需要樓梯懸掛系統，直接通過機械傳動機構吸排氣進行控制。

爬壁機器人最基本的需求是能夠在360°的壁面進行自由移動，所以重點設計機器人的吸附裝置。吸附和行走是爬壁機器人的兩個最基本功能，爬壁機器人受工作環境的限制，必須擁有強大的吸附能力，吸附力必須大于機器人以及載體的重量，在不跌落的情況下保持前進。該機器人的移動速度初始設定為0.15米/秒。爬壁機器人若發生墜落，極有可能是由于車體的平行滑落導致，因為其吸盤在機器人垂直的狀態下最容易發生掉落。

2 爬壁機器人的結構設計

在爬壁機器人兩側的輪子上固定裝上真空吸盤，該真空吸盤通過吸排氣的閉合，從而達到真空狀態，在墻壁與機器人之間直接產生吸附力。設定該四輪車輪子的直徑為20cm，真空吸盤采用ZHP-50-W-M6型號真空吸盤，如圖1所示。該產品的優勢為：國內自主生產，供貨速度快，成本低。機器人小車的每個輪子上固定有24只直徑8cm的真空吸盤均勻分布。每排12個真空盤，一共2排，每兩個吸盤之間的隔離角度為30°，輪子上的兩排吸盤每兩個之間相錯開15°。這種情況下無論何時至少有3個吸盤處于吸附的狀態，一輛小車四個車輪，所以整個機器人一共有12個吸盤處于吸附狀態，通過氣壓的差距，將機器人牢牢地吸附在壁面上。因為吸盤的工作路線為同一輪子上的24個吸盤同時工作，通過安裝在四輪車內的管路，將真空吸盤吸取的氣體運輸到氣體分配器上，再從氣體分配器運輸到真空泵內，這樣的一套路線組成真空抽氣系統。所以吸盤的吸附能力是穩定的，不會隨著吸盤數量的增加或減少而變化。

爬壁機器人的最大特點是采用純機械式氣體分布器實現對機器人吸盤的抽吸和排程的有序控制[3]。為了降低傳感器的使用頻率，使得機器人更容易控制，于是設計了一個月牙型真空室，通過與地面真空泵相連，為吸盤提供負壓，進行吸附，吸排氣的同時控制機器人的吸附狀態。

氣體分布器中有月牙型真空室，如圖2所示，后側氣體入口與真空泵連接，前側在分配器下部1/4處開有月牙型吸氣入口，氣體分配盤（即車輪的輪轂，見圖3）與其之間緊密密封，氣體分配盤上共有12個孔，每一個孔的噴嘴連接一個真空吸盤。帶有月牙型真空室的氣體分布器則固定在車體上，防止運動狀態下密閉性受損，導致吸附能力下降，所以需保持固定狀態。當爬壁機器人由電機驅動移動時，吸盤完全暴露在壁上，相應的噴嘴也進入真空室的吸入口，從而形成空氣通道，真空泵開始抽氣。當吸盤即將從壁面上脫離時，相應的噴嘴正好轉出了吸氣口，并與大氣連通，吸盤裝置便可以與壁面脫離，從而使機器人完成吸附與脫離的工作步驟，如圖4所示。

月牙室里，月牙盤突出，其原因是氣體分布器固定在機器人的機體上，真空室平面與輪盤之間有相對運動。同時，當兩個結構彼此相對運動時，必須確保不存在太多的泄漏，這里有四分之一的部位突出既可以保證真空室的壁面可以與真空吸盤上的空氣管道完美連接，而提高了與車輪的接觸力，增強了吸附力的同時還可以減少兩個結構的因為相對運動而產生的摩擦力，并給動力能帶來額外的負荷以及過度的摩擦，提高了機器人的使用壽命。

真空室的月牙盤的中心角是40°，板長2cm，由于在工作狀態下真空室必須同時為輪子上的三個真空吸盤提供負壓，并且兩個吸盤與圓盤之間的界面的差異為15°，所以圓心角應略大于30°。因為輪盤上的孔的直徑約為6mm，為了使孔進入到真空室，所以真空室的寬度必須大于6mm，故設置為7mm。此外，真空室應該與真空泵連接，因此需要將月牙形圓盤上的孔打開到真空室。月牙盤的設計提高了加工的難度，但是降低了操作難度。此處在運行過程中的設計要求較高：不僅要能產生相對轉動，而且要保證有足夠的密封性。

3 爬壁機器人Pro/E運動仿真

本次設計在建模過程中使用了一個簡單的空心桁架結構。即將提供吸附能力的真空泵安裝在地面上，通過將電機連接到減速器上傳動動力，帶動機器人移動。利用Pro/E軟件，對爬壁機器人的運動進行仿真，設定參數如表1所示。

首先，進入裝配模塊，組裝車輪、真空艙、蝸桿減速器和機器人本體，構建機器人的整個模型，然后在Pro/E軟件的機械運動仿真模塊下，設置伺服電機。建立運動聯系，設置參數Start time和End time，然后建立運動分析，設定開始時間和結束時間的參數，并選擇當前位置作為運動分析的初始位置，最后運行運動分析，通過最終得出的結果證明了該爬壁機器人是可行的。

4 結論

清洗爬壁機器人的目的是為了取代人工清潔高層建筑的玻璃幕墻等高危險性工作。本文設計機器人為四輪式后輪驅動方式，采用真空吸盤吸附方式可以減小在爬行過程中出現墜落的幾率，在爬壁過程中是安全的，并且在爬墻期間不會沿墻滑動，可實現在水平面與垂直面乃至任意角度的玻璃壁面均能自由行走。

參考文獻：

[1]蘆書榮.機械設計基礎[M].西安：西北工業大學出版社，2016（01）.

[2]姜雪梅.工業機器人運動學研究[D].山東科技大學，2013.

[3]談士力，沈林勇.垂直壁面行走機器人系統研制[J].機器人，2009，18（04）：242-247.

作者簡介：呂雪（1986-），女，安徽舒城人，碩士研究生，講師，研究方向：先進材料制造及軟件模擬加工技術。